基于Abaqus的不锈钢波纹板冷弯成形有限元分析

王秀坤

摘 要：采用Abaqus有限元分析软件，对不锈钢波纹板冷弯成形过程进行了计算机模拟仿真。提取了仿真模型里零件的每个道次的应力、应变云图和关键节点的应力应变时间历程曲线以及横向应变曲线。模拟结果显示：板料在每个道次成形中，轧辊压下的部分应力比较集中，比较容易出现破裂的缺陷，成形以后板料的应力降低；波纹板的斜面部分在辊弯成形的过程中经历了弯曲反弯曲的过程，并且在斜面的内外表面存在方向相反的剪切应力。

关键词：有限元 波纹板 应力 横向应变

中图分类号：TG3 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）02（b）-0071-02

冷弯成形是一种将金属板材或带材通过一系列的特定形状的轧辊组，从而成形出一定截面形状的型材，它是一种常温下的金属材料成形工艺。文章建立了不锈钢波纹板的冷弯成形有限元模型，分析了板料成形时的应力应变，为不锈钢波纹板的生产过程提供理论依据。

1 有限元模型的建立

仿真方案的确立与模型的简化：此次仿真选用的材料是SUS301L-ST不锈钢，通过静态拉伸实验获得式样的应力应变数据，拉伸实验的应变速率设置为0.001S-1。

考虑到波紋板在宽度方向上的对称性，可以简化模型。板料采用的是三维可变形的壳单元S4R，厚度方向上有5个积分点，轧辊采用的是三维解析钢体，板料的一边完全固定，另外一边可以自由流动，轧辊向板料运动，模拟整个辊弯成形过程。

由于摩擦力在辊弯成形的仿真模型中会对力能参数有所影响，却不会影响到辊弯成形的应力应变，因此，模型中设置接触面属性为Frictionless。模型里建立一个动力显示的分析步，并且在此分析步里施加所有轧辊参考点向板料运动的位移载荷（图1）。

2 仿真结果分析

2.1 应力、应变云图分析

图2中间部分应力较大，这是辊弯加工的正在变形的地方，发生塑性变形所以应力较大。

图3的最大塑性应变在板料的弯曲处，此处发生了塑性变形，因此变形比较明显。图3中板料已发生了弯曲48°的变形，可以明显看出，下方的弯角处应变要比上方的弯角应变大一些，因为板料是对称的，只采取了一半进行模拟，把它的一端进行了完全固定，另一端可以自由流动，所以在固定的一边承受的拉应力和剪应力都很大。

图4所示的是波纹板成形后的应力云图，板料成形后波形的截面形状良好，没有辊弯成形的一些缺陷，在波纹板的弯角处应力较为集中，最高的应力接近材料屈服强度。在板料底面边界条件完全固定的区域，应力非常小，因为这部分区域在波纹板成型中未发生变形。

2.2 应力、应变时间变化的分析

选取成形后的波形截面，依次选取底面节点、底面弯角节点、斜边节点、顶部弯角节点4处位置，研究波形不同位置应力时间历程的变化。

在冷弯成形过程中，板料上的节点应力都存在一个突然增大的现象，然后应力又突然降低，而这应力增大的时刻又对应着每道次的辊弯成形。板料运行到轧辊的位置，板料的前端被下轧辊抬高，然后又被上轧辊压下，板料发生了弹塑性的变形，因此应力较大。在板料的前端节点位置通过了轧辊辊缝时，应力又会突然地下降，因为此过程是一个卸载的过程，板料发生了弹性回复。比较底面节点、底面圆角节点、斜边节点、顶面圆角节点的应力时间历程曲线发现，底面节点和斜边节点的应力都在屈服点以下，在板料辊弯成形的过程中只发生了弹性变形，在成形结束后应力降低到50 MPa以内，而弯角部分的应力已经明显地超过了屈服强度，在板料的辊弯成形过程中发生了塑性变形，在成形以后存在着较大的残余应力。

波纹板斜面部分节点的第1层积分点与第5层积分点的剪切应力时间历程曲线，在板料的冷弯成形过程中，斜面部分的材料具有X、Y方向的剪切应力，并且内外层的剪切应力方向相反。

3 结论

（1）通过Abaqus有限元软件模拟波纹板冷弯成形过程，在轧辊辊压板料的位置应力最大，应力集中可能会产生板料成形的破裂缺陷，板料在过了每道轧辊以后应力降低。

（2）在波纹板的底面弯角和顶面弯角部分，等效塑性应力和横向应变都很大，发生了塑性变形，在底面部分和斜面部分应力和应变都很小，基本上只发生了弹性的变形。

（3）波纹板冷弯成形过程中，斜面部分经历了弯曲反弯曲的过程，并且存在剪切应力。

参考文献

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